Global communications with large NGSO satellite constellations : the impact of the atmosphere

In recent years, the space communications market has seen strong growth in the demand for the management of data-intensive tasks, leading to the transition of communication systems to higher frequencies. This passage will inevitably face some problems, including the increase in the effect of atmospheric phenomena on Earth-space links. Therefore the analysis of these phenomena is necessary for the development of new generation communication systems; in particular, greater attention needs to be focused on rain as it generates the largest disturbances in communications. Currently, the impact of rain is characterized in terms of yearly statistics of the given effect for links whose ground station lies in different geographical areas on Earth. The disadvantage of this methodology is the impossibility of characterizing the space-time evolution of rainfall effects, whose knowledge is in turn required to dimension fade mitigation techniques (FMTs). This work focuses on using a new methodology to study rain attenuation, based on the use of the ST MultiEXCELL simulator capable of generating space-time correlated rain fields. In particular, the thesis focuses on the impact of rain on a next generation large constellation of NGSO satellites aimed at providing global broadband connectivity at Ka band and Q band. One of the major advantages of using this new methodology is the possibility of implementing FMTs based on the inhomogeneous distribution of rain in space and time. The analysis is carried out at a lower frequency (User link ) and at a higher one (Gateway link ) and the results are analyzed by comparing the effectiveness of Site Diversity and Orbital Diversity and of their combination. The results show how the use of Orbital Diversity alone does not bring about sufficient mitigation of the attenuation, while the joint use of the two strategies makes it possible to significantly improve the system performance.

Negli ultimi anni il mercato delle comunicazioni spaziali ha visto una forte crescita della domanda per la gestione di attività ad alta intensità di dati, portando al passaggio dei sistemi di comunicazione a frequenze più elevate. Questo passaggio inevitabilmente andrà incontro ad alcune problematiche, tra cui l’aumento dell’effetto dei fenomeni atmosferici sui collegamenti fra Terra e spazio. L’analisi di questi fenomeni è quindi necessaria per lo sviluppo di sistemi di comunicazione di nuova generazione, in particolare la pioggia necessita un’attenzione maggiore in quanto genera i disturbi più rilevanti sulle comunicazioni. Attualmente l’impatto della pioggia viene caratterizzato in termini di statistiche annuali dell’effetto dato sui collegamenti la cui stazione a terra si trova in diverse aree geografiche. Lo svantaggio di questa metodologia è l’impossibilità di caratterizzare l’evoluzione spaziale e temporale degli effetti delle precipitazioni, la cui conoscenza è richiesta per dimensionare le tecniche di fade mitigation (FMTs). Questo lavoro si concentra sull’utilizzo di una nuova metodologia per studiare l’attenuazione della pioggia, basata sull’utilizzo del simulatore ST MultiEXCELL capace di generare campi di pioggia correlati in spazio e tempo. In particolare, la tesi si concentra sull’impatto della pioggia su una grande costellazione di satelliti NGSO di nuova generazione volti a fornire connettività globale a banda larga in banda Ka e banda Q. Uno dei vantaggi maggiori dell’utilizzo di questa nuova metodologia è la possibilità di implementare FMTs che si basano sulla distribuzione non omogenea della pioggia nello spazio e nel tempo. L’analisi viene svolta a una frequenza minore (User link ) e una maggiore (Gateway link ) e i risultati vengono analizzati confrontando l’efficacia di Site Diversity e Orbital Diversity e della loro combinazione. I risultati mostrano come l’utilizzo del solo Orbital Diversity non apporta una mitigazione dell’attenuazione sufficiente, mentre l’impiego congiunto delle due strategie consente di migliorare significativamente la prestazione del sistema.